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SUSPENSIONES - Definición - Significado

Necesidad de un contacto elástico con el terreno • Planteamiento del problema fundamental: conciliar el confort y la estabilidad • Las diferentes soluciones propuestas • Suspensiones de flexibilidad variable

Con el término suspensiones se indica genéricamente el conjunto de órganos mecánicos que en un vehículo unen las ruedas a la estructura principal.

Si la carretera, o en cualquier caso la superficie sobre la que se mueven los vehículos, fuera perfectamente nivelada y lisa, la unión rueda-coche podría simplificarse y ser, en el límite, rígida, en el sentido de que el eje sobre el que gira la rueda podría estar fijado directamente sobre el bastidor. Esto tiene lugar en muchas máquinas de obras públicas y agrícolas, dado que la marcha sobre carretera se efectúa a velocidad muy baja y se considera suficiente confiarse a la flexibilidad de los neumáticos para no transmitir las solicitaciones al vehículo.

Pero las carreteras nunca son perfectamente lisas y presentan un firme irregular, con asperezas de algunos centímetros. Por tanto, los automóviles deben estar provistos de dispositivos de unión ruedas-bastidor capaces de asumir estas funciones: la elasticidad, es decir la unión elástica para absorber y transmitir suavemente las asperezas y obtener el necesario confort de marcha; el frenado de la elasticidad, desarrollado por los amortiguadores, que sirve para amortiguar las oscilaciones producidas por la elasticidad de la suspensión, y, finalmente, aquella serie de órganos que, con una particular disposición de los puntos de anclaje, permiten controlar los movimientos verticales de las ruedas para que la trayectoria de marcha se acerque lo más posible a la deseada por el conductor.

Por tales motivos, el automóvil no podría confiar estas importantes funciones exclusivamente a los neumáticos, por blandos que fuesen. De hecho, faltaría el efecto amortiguante que el caucho y el aire poseen sólo en mínima parte y que, además del confort, resulta indispensable para mantener la rueda en contacto con el suelo. En caso extremo, el conjunto de las suspensiones podría estar inserto en la rueda según un esquema que fascinó a los teóricos de principios de siglo y que se ha traducido en los diversos ejemplos de rueda elástica en la cual el eje estaba unido a la llanta a través de ballestas dispuestas en espiral.

Si el neumático no puede asumir todas las funciones de una suspensión, cabe preguntarse cómo es que los automóviles, a diferencia de los trenes, no tienen ruedas con forros de hierro, sin caucho. La respuesta es que la función fundamental del neumático es aumentar enormemente (en todas las condiciones) la adherencia entre rueda y terreno. Secundariamente, existen las funciones de absorber las asperezas más pequeñas y conservar silenciosa la marcha del vehículo. Los trenes, en cambio, no tienen necesidad de una adherencia particular en las curvas, ya que las ruedas son guiadas por los raíles (sin embargo, para la adherencia longitudinal es necesario que las ruedas motrices estén fuertemente cargadas).

Los esquemas primitivos

Los primeros tipos de suspensión no preveían suspender cada rueda independientemente de la caja del vehículo, sino de dos en dos. De hecho, como el automóvil desciende del carruaje de caballos, los primeros constructores transfirieron la técnica de la suspensión de los carruajes a los coches. Estas técnicas preveían 2 ejes rígidos unidos a la caja del vehículo ine-diante ballestas longitudinales o transversales. Las ruedas estaban forradas con hierro y faltaban los amortiguadores verdaderos. No obstante, el rozamiento de las hojas de la ballesta entre sí facilitaba un cierto amortiguamiento.

El estado de las carreteras, la escasa adherencia ofrecida por las ruedas y la limitada velocidad (consecuencia de los dos primeros factores más que de la potencia de los motores) no exigieron las sofisticaciones alcanzadas por otros órganos del vehículo en los primeros años del siglo. A pesar de que las primeras suspensiones independientes aparecieron alrededor de 1903, la gran masa de los constructores se orientó hacia soluciones estándar (en general, ejes rígidos con ballestas y asentamiento con notable cámber positivo delantero), que se mantuvieron en vigor hasta los años treinta, cuando no tuvieron ya una justificación clara.

La primera gran revolución, sobre todo respecto al confort de marcha, fue el neumático, que obligó a una puesta al día de las suspensiones alrededor de 1920, cuando se introdujo el tipo balón.

Los 100 años de evolución de las suspensiones del automóvil cabe dividirlos en tres fases, cada una caracterizada por una fisionomía particular.

De 1885 a 1920: El paso del diseño de los carruajes hacia técnicas más adecuadas, por principios de construcción y por prestaciones, a un vehículo de motor. Los esquemas de construcción permanecieron, aunque fueron innumerables los intentos de nuevas soluciones.

De 1920 a 1955: Búsqueda de soluciones con prestaciones crecientes y una estabilidad que hacía poco se había convertido en una fundamental exigencia. En este período fue cuando se produjo la progresiva diferenciación de los esquemas de las suspensiones en función del tipo de coche (posición del motor, tipo de propulsión, condiciones de carga, etc.). En el sector de los coches de prestigio y de competición se produjo el desarrollo de esquemas nuevos, más complejos, en búsqueda del confort y las prestaciones más sofisticadas.

Desde 1955 a los años setenta: Adopción de soluciones ya formuladas teóricamente y consideradas de nuevo con esquemas de construcción adecuados a las grandes series (menor coste, mayor fiabilidad, menor mantenimiento); con los mismos objetivos se actuó en búsqueda de soluciones nuevas. También se propusieron algunos esquemas antiguos originales, como el De Dion, el tipo Rover (anterior), las suspensiones intercomunicadas, etc. Desde el punto de vista propagandístico, las soluciones de reclamo encuentran justificación en las tecnologías que permiten ahora una notable reducción de los costes siendo utilizadas en los coches de prestigio, o bien ante la necesidad de ofrecerlas al público, que todavía es atraído por la complejidad técnica. Desde el punto de vista funcional, es necesario subrayar que un cierto esquema de suspensión difícilmente tiene de por sí unas dotes de estabilidad y de confort superiores a cualquier otro tipo, en el sentido de que el diseño de aplicación de cada esquema y otros numerosos factores (asentamiento, elasticidad, amortiguadores y, sobre todo, la geometría) pueden modificar completamente el comportamiento. Por ejemplo, una buena suspensión de puente rígido puede comportarse mejor, en cuanto a estabilidad, que una sofisticada pero mal realizada suspensión De Dion.

Los elementos componentes de las suspensiones se dividen, con base a las funciones, en 3 grupos: los órganos geométricos y estructurales de la unión rueda-bastidor (brazos, rótulas, pivotes, manguetas, etc.), los muelles y los amortiguadores.

Para unir las ruedas al bastidor se han estudiado numerosas soluciones, divisibles en 2 grupos: ruedas rígidas (dependientes dos a dos) y ruedas independientes (en las cuales el movimiento de una rueda no induce, al menos teóricamente, movimiento en la otra rueda del mismo eje).

Al primer grupo pertenecen los ejes rígidos transversales, tanto para ruedas no motrices, compuestas por un elemento forjado o por un tubo que .une las 2 ruedas, como para ruedas motrices. Para las ruedas motrices, el sistema más difundido es el de puente rígido, que asume las funciones de unir las 2 ruedas motrices entre sí y alojar el grupo de transmisión que comprende el par cónico, el diferencial y los semiejes de las ruedas.

También la suspensión De Dion, comúnmente llamada semiindependiente, no es más que un eje rígido que une las 2 ruedas pero tiene el diferencial unido directamente al bastidor de forma fija, permitiendo una reducción de las masas no suspendidas, aunque con una mayor complicación de construcción.

Todas las suspensiones de puente rígido están completadas por una conexión con el bastidor, tanto para el control de las fuerzas longitudinales (propulsión-frenado) como de las fuerzas transversales (en las curvas), que en el caso de suspensión por ballesta pueden desarrollarla las propias ballestas, o bien por bielas sencillas o dobles longitudinales y por un triángulo central o rótula sobre el puente, o incluso por una barra transversal (Panhard) y por 2 traviesas con gemelas (paralelogramo de Watt), o, finalmente, por una guía vertical acanalada o por una horquilla con perno.

Ruedas independientes

Los mayores inconvenientes, provocados en los primeros 20 años del siglo en las suspensiones delanteras de eje rígido, consistían en la inestabilidad de marcha y en la dificultad de conducción por terrenos accidentados. De hecho, las irregularidades encontradas por una rueda (que entonces eran de gran diámetro y muy pesadas) repercutían en la otra, provocando una variación de cámber y un desplazamiento lateral. Debido al movimiento giroscópico, la variación de cámber daba lugar a imprevistos golpes de la dirección, mientras que por efecto del peso del eje, el más leve rebote se traducía en una pérdida de adherencia (sobre todo cuando las suspensiones para aumentar el confort eran muy blandas).

Esto indujo a los proyectistas, hacia los años treinta, a mantener la solución de las ruédas delanteras unidas rígidamente, dejándolas libres en sus movimientos. En la actualidad, con carreteras mejores, las ruedas de pequeño diámetro y la capacidad tecnológica para construir ejes muy ligeros (de aluminio o de acero de estampación) y no forjados como antes, probablemente el único problema desfavorable al eje rígido anterior sería el de las solicitaciones giroscópicas. Pero la moda y las tendencias de construcción han suprimido definitivamente esta solución para los coches de turismo.

Respecto a las ruedas traseras, la aplicación del puente rígido tiene defensores y detractores, tal es así que, al final de los años sesenta, en los coches de tracción delantera el eje rígido encontró una segunda juventud. En general, las ruedas independientes tienen un mayor coste industrial, por lo que, cuando no sea indispensable, es decir para la gran mayoría de los coches económicos de motor delantero y propulsión trasera, se prefiere montar un puente rígido.

En particular, las ruedas independientes se pueden dividir así:

- De movimiento telescópico (Morgan, Lancia, ERA de Fórmula 1). Consisten en una guía cilindrica vertical sobre la cual se mueve el pivote, permitiendo el vaivén vertical de la rueda. Con el coche en asentamiento plano, las ruedas mantienen un ángulo constante respecto al terreno, y la traza del neumático describe un segmento vertical manteniendo constante la anchura de vía.

- De cuadrilátero deformable. Las más difundidas, comprendiendo dos brazos formados por uno o más elementos colocados sobre dos planos transversales, unidos mediante rótulas al lado del bastidor y con el montante en el lado de la rueda. Para la construcción de éstos se emplea generalmente la chapa de estampación, pero en muchos casos se hace uso de elementos de acero forjado; raramente se usan aleaciones ligeras. En función de la disposición y de los ángulos geométricos característicos de los brazos se pueden obtener sacudidas con variación controlada tanto de la huella del neumático como de los ángulos de la propia rueda respecto al terreno.

- De brazos longitudinales paralelos (Porsche). Están formados por 2 bielas con eje de rotación transversal y oscilante sobre el plano longitudinal. Los extremos de las bielas están unidos entre sí con el montante de la mangueta. Todos los elementos están construidos con acero forjado. La geometría es similar a la del tipo telescópico, salvo que existe una pequeña variación de la batalla, dado que la traza del neumático describe, sobre el plano longitudinal, un arco de circunferencia.

- De brazo longitudinal sencillo (Citroen, BMC, Dubonnet). Se trata de una simplificación de la suspensión antes descrita y está representada por el brazo longitudinal, único, también de estampación o de fundición. Para las ruedas directrices, esta suspensión tiene la desventaja de hacer variar el cámber durante el viraje y el cáster durante los rebotes de las ruedas. Desde el punto de vista de las prestaciones, es similar a la de brazos paralelos o bien a la telescópica.

- De brazo transversal (VW trasero, Renault 4 CV). De prestaciones completamente distintas, está constituido por un brazo de un elemento, o de dos elementos con planta en V oscilante transversalmente y en cuyo extremo externo está unida rígidamente la rueda. En algunas configuraciones, la absorción de los esfuerzos longitudinales (frenado, aceleración) está confiada a una barra longitudinal. Este sistema produce una variación del cámber, con las sacudidas, más bien acentuada e inversamente proporcional a la longitud del brazo.

— De brazo compuesto y eje oblicuo de rotación (Fiat, Lancia, Mercedes, BMW). Es un compromiso entre el brazo longitudinal sencillo y el brazo transversal. Formado casi siempre de una V en planta, con articulaciones cuyos ejes forman un ángulo oblicuo respecto al eje transversal del coche; permiten una recuperación del cámber, pero dan una variación del cáster con las sacudidas de la rueda.

- McPherson. La más reciente, representa una variante geométrica del tipo de cuadrilátero transversal, sólo que el brazo superior consiste en una guía telescópica con una rótula en el extremo de la misma. Esta guía telescóspica es utilizada generalmente para combinar la elasticidad y el amortiguamiento con un grupo integrado muelle-amortiguador.

Elementos elásticos

La elasticidad se logra generalmente mediante muelles metálicos: de ballesta, de varias hojas o de una sola que trabajan por flexión; helicoidales cilindricos, casi siempre realizados con alambre de acero de altas características mecánicas y que trabajan por torsión y flexión, y de barra de torsión, con barra de sección circular o también con un conjunto de láminas en paquete de sección cuadrada, que trabajan por torsión y cizalladura.

La elección recae a menudo sobre el primer tipo por algunas razones precisas, aunque tenga en contra un mayor peso. La ballesta puede actuar como elemento de unión rueda-bastidor y absorber los empujes longitudinales y transversales del vehículo, asumiendo a la vez más funciones.

Están montadas mediante silentblocks y unidas al bastidor mediante tornillos o mediante pletinas y tornillos. Otra razón para la adopción de la ballesta es el reducido espacio necesario en sentido vertical.

Los muelles helicoidales están muy difundidos y se adoptan en muchos esquemas de suspensiones, substituidas por la barra de torsión cuando se quiere realizar un conjunto más sencillo o de dimensiones menores.

Además de los citados muelles, se han desarrollado técnicas nuevas y a menudo originales: muelles de aire (Firestone, CEAT, etc.), constituidos por una envoltura flexible de lona encauchada con soportes metálicos, usados sobre todo en vehículos industriales y autobuses; muelles de gas, integrados por un dispositivo hidráulico, más o menos complicado, del que los ejemplos más interesantes son el sistema Citroen y el Hydragas de la British Leyland, y muelles de caucho, de forma diversa, que trabajan por compresión o cizalladura, de los que existen muchos ejemplos, el más conocido es el del Mini de la BMC. En la versión Ado 16 está integrado en un dispositivo hidráulico de interconexión (Hydrolastic).

Si un vehículo estuviese dotado solamente de muelles como elemento elástico de unión con las ruedas, durante la marcha se producirían oscilaciones periódicas difícilmente controlables que comprometerían el asentamiento y, por tanto, la estabilidad del vehículo, además de ser motivo, por supuesto, de un pésimo confort. Así surgieron los amortiguadores, que en principio eran de fricción y después hidráulicos. Con un oportuno tarado de los valores de frenado, tanto de compresión como de extensión, se pueden poner a punto las suspensiones no sólo en el sentido de obtener una mejor manejabilidad, sino también para influir en la estabilidad del coche en las rectas y sobre todo en las curvas.

La barra estabilizador;»

Entre los elementos de unión rueda-bastidor, otro órgano importante es la barra estabilizadora que limita el balanceo en las curvas del cuerpo del coche, además de contribuir a la estabilidad y al comportamiento en las curvas del propio coche.

Es curioso notar cómo el uso, ahora generalizado, de las barras estabilizadoras o antibalanceo puede ser considerado, a primera vista, como un retorno al eje rígido. De hecho, la barra estabilizadora crea un vínculo, una dependencia entre los movimientos de las 2 ruedas del mismo eje. Mientras que el eje rígido deja rigurosamente iguales a las variaciones de cámber de las 2 ruedas durante el paso de una rueda sobre una aspereza (en las curvas, no obstante, las ruedas permanecen perfectamente verticales), la barra estabilizadora crea una dependencia entre los movimientos verticales de una rueda respecto a la otra. Esto tiene lugar tanto en las curvas (consecuencia deseada y positiva) como ante un obstáculo (consecuencia negativa, pero inevitable).

Véase a continuación cómo se utiliza cada uno de los elementos de la suspensión, tomado singularmente o combinado con otros, para resolver los numerosos problemas relacionados con la marcha del vehículo en carretera.

En la marcha rectilínea, el mecanismo de la suspensión debe evitar un desplazamiento lateral de la huella del neumático o que sea lo más pequeño posible durante los cimbreos; esto es necesario para que la trayectoria del vehículo se ajuste al máximo a la impuesta por el conductor. Después, es necesario que las variaciones del cámber, durante las sacudidas, sean lo más pequeñas posible, puesto que, por el efecto giroscópico de las masas rotativas (llanta, disco o tambor, cojinetes), provocan un par sobre el eje de rotación de la dirección con las consiguientes reacciones en el volante.

Desde el punto de vista de la construcción, es conveniente que los órganos estructurales de las suspensiones y sus anclajes al bastidor presenten una gran rigidez para reducir al mínimo los errores geométricos, pero esto está en contraposición con el confort de marcha, ya que los anclajes o rótulas muy rígidos transmiten vibraciones y golpes que repercuten sobre el bastidor y en el interior del habitáculo. Por tanto, los constructores escogen soluciones de compromiso entre la precisión geométrica y el confort de dos maneras: aplicando rótulas elásticas (silentblock) a las articulaciones de las suspensiones o bien construyendo subbastidores sobre los que se fijan las suspensiones y que a su vez están sujetos con caucho al bastidor o a la carrocería.

En cambio, en los coches de competición se busca obtener la máxima rigidez de las suspensiones y del bastidor, ya que es necesaria una gran precisión en la capacidad de dirección del coche, independientemente del confort.

Existe también una particular situación dinámica del vehículo, que corresponde al frenado y a la aceleración, en la que el mantenimiento de la trayectoria y la estabilidad pueden estar influidas por la particular disposición geométrica de las suspensiones; así, mediante la elección de posiciones oportunas de los ejes de las articulaciones es posible conferir al coche cualidades antidive, antisquat y antilift, es decir, hacer que el asentamiento se mantenga nivelado.

En la marcha en una curva, el estudio de los fenómenos es más complejo. Para determinar mejor la influencia de todos los parámetros concurrentes es conveniente dividir la marcha en 3 situaciones distintas. La fase de entrada en la curva (transición inicial), o sea cuando el volante rueda en las manos del conductor; la permanente, es decir durante la curva (mientras el volante está quieto en posición), y la transición final, mientras el volante retorna a su posición central. En los dos pasos de transición tienen lugar los fenómenos más difíciles de controlar y para los cuales la puesta a punto de las suspensiones es determinante tanto para obtener mayores velocidades en la curva como para alcanzar una mayor estabilidad.

Las variaciones de la huella

El mecanismo cinemático de las suspensiones está concebido de manera que mantenga las ruedas lo más perpendiculares posible al terreno, garantizando al neumático un contacto sobre el plano de apoyo durante el balanceo del coche.

En realidad, para los coches de serie, un contacto con cámber de -6o a + 2o no da variaciones notables de adherencia en las curvas (pues el valor máximo está cerca de -3o), mientras que para un coche de competición, el problema de un contacto perfecto a lo largo de la generatriz de apoyo (en este caso los neumáticos son muy anchos, o sea de 350-450 mm de banda de rodadura) es fundamental.

Durante la transición, es conveniente que la variación de cámber de las ruedas delanteras y de las traseras tenga lugar de manera que las derivas de los ejes delantero y trasero aumenten progresivamente de modo similar entre sí, para imprimir un comportamiento neutro al coche. Es necesario recordar que en esta fase existe una progresiva transferencia de carga de las ruedas internas a las externas, y que cuanto más grande sea el momento polar de inercia del coche, durante la entrada en la curva, mayor será la tendencia a conservar el movimiento rectilíneo; así como también, durante la salida de la curva, la tendencia a conservar el movimiento curvilíneo.

Para obtener esto que el constructor desea con el fin de establecer una correcta trayectoria neutra en la curva, se actúa sobre el tarado y sobre el dimensionado de las barras estabilizadoras, sobre la rigidez de los muelles y, en particular en las transiciones, sobre el tarado de los amortiguadores, y, lógicamente, sobre la geometría de las suspensiones delantera y trasera, con particular atención a la necesidad de

compensar la inclinación positiva de las ruedas provocada naturalmente por el balanceo (retorno de cámber) y el desplazamiento del centro de balanceo.

Para los coches de carreras, la actuación se vuelve más compleja, pues llevan neumáticos de notable anchura que en cada fase de la curva presentan un contacto completo de la banda de rodadura con el terreno; por tanto, deben resultar siempre perpendiculares al mismo. Si se tiene también en cuenta que el piloto utiliza la propulsión sobre las ruedas traseras (motrices), para obtener la máxima velocidad en la curva y la máxima aceleración después de la curva, se nota que esta fuerza aplicada al neumático modifica las características de cornering del mismo, y es necesario tenerlo en cuenta en el juego de la puesta a punto de las suspensiones.

Importancia de las masas no suspendidas

Un elemento muy importante, que está por encima de la investigación cinemática y dinámica de las suspensiones, es el representado por la relación existente entre las masas suspendidas y las no suspendidas que posee el vehículo.

En definitiva, cuanto más ligeras son todas las partes del contacto con el terreno (ruedas, neumáticos, frenos, suspensiones, órganos de elasticidad y parte de los amortiguadores) respecto a la carga que gravita sobre cada rueda, tanto menores resultan los rebotes del neumático sobre el terreno. Es intuible que, cuanto más tiempo esté el neumático en contacto con el suelo, respecto al tiempo que no lo está, más aumenta su adherencia, prescindiendo de los otros factores ya descritos.

Resumiendo, y siempre en comparación con la técnica de los coches de competición, se puede decir que: el coche de turismo debe ofrecer sobre todo confort y seguridad de marcha en todas las posiciones y terrenos, además de una dirección rigurosamente precisa. En las curvas se exige una notable estabilidad, mientras que la adherencia a la carretera puede ser limitada a aceleraciones laterales de 0,6-0,7 g, y una conducción ligera y no fatigante, cualidades ligadas a los parámetros característicos de las suspensiones; en cambio, en un coche de carreras se exige una gran adherencia en todas las posiciones, gran velocidad en las curvas y elevadas aceleraciones laterales (con valores del orden de 1,45-1,6 g); además de una gran precisión de conducción, aunque el coche resulte duro, rígido y poco confortable. Todo esto se consigue con suspensiones de rótulas esféricas o articulaciones metálicas, gran rigidez de los elementos de las suspensiones y del bastidor, un mecanismo de dirección muy sencillo, y una barra estabilizadora muy eficaz y muy rígida.

Finalmente, frente a un desplazamiento total de las suspensiones (en la rueda) en los coches de turismo, de 150 a 200 mm, en los coches de carreras se baja a 100 mm o menos. Lo cual quiere decir también que el balanceo del cuerpo del coche está contenido en unos pocos grados.

Para resaltar estas dos últimas características, en los más avanzados esquemas de suspensiones se busca obtener la llamada «flexibilidad variable», o sea, un progresivo endurecimiento al incrementarse la carga, independientemente de las características elásticas del muelle.

El resultado, obtenido mediante oportunos mecanismos cinemáticos, permite tener un comportamiento relativamente blando para pequeños desplazamientos y un endurecimiento para las solicitaciones mayores.

Desde el punto de vista del comportamiento en marcha, este sistema permite una buena aptitud para absorber las pequeñas irregularidades del terreno, sin tener desplazamientos elevados como consecuencia de transferencias de carga en aceleraciones, frenados y en las curvas, todo lo cual contribuye eficazmente al confort de marcha.

En la producción de serie, además de las características cinemáticas, tienen gran importancia la robustez y la duración de los órganos de suspensión; las principales marcas poseen instalaciones de prueba para simular las solicitaciones que sufren todos los órganos interesados. Con este método es posible tener en breve tiempo informaciones precisas sobre la resistencia de los brazos, muelles, amortiguadores, soportes y puntos de anclaje a la carrocería.

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